湖南大学大学物理(二)练习册解答1

1、湖南大学物理（二）练习册参考解答第12章真空中的静电场、选择题1(A), 2(C)，3(C)，4(A)，5(C)，6(B)，7(C)，8(D)，9(D)，10(B)，二、填空题(1).电场强度和电势，E F /q°, UaW/q°0Eadl (U°=0).(2).q2q4/0 ,q1、q2、q3、q4 ；(3).0,/ (20)；(4).R / (20);q11(5).0 ；(6).4 0rr。q°q11(7).2X 估 V ;(8).4 0rab(9).0,pE sin ;(10)8224xy i12x40y j (SI)；二、计算题OOOO1将一 “

2、无限长”带电细线弯成图示形状， 设电荷均匀分布， 电荷线密度为 ，四分之一圆弧 AB的半径为R,试求圆心 O 点的场强.解：在0点建立坐标系如图所示.半无限长直线巳半无限长直线A o在0点产生的场强:40 RB o在0点产生的场强:E2i4 oR四分之一圆弧段在 0点产生的场强:E3厂R由场强叠加原理，0点合场强为:OO第10页E E1 E22. 一“无限长”圆柱面，其电荷面密度为：=0COS ，式中 为半径R与x轴所夹的角, 试求圆柱轴线上一点的场强.每条可视为“无限解：将柱面分成许多与轴线平行的细长条, 长”均匀带电直线，其电荷线密度为=ocos Rd ，它在0点产生的场强为：d Ecos

3、 d2 oR2 o它沿x、y轴上的二个分量为：dEx= dEcos打0s2 ddEy= dEsino sin2 oCO s积分：Exo 2cos2 oEyo .sinod(sin )0Exi3.如图所示，一厚为 b的“无限大”带电平板，其电荷体密度分布为 =kx(o< xw b )，式中k为一正的常量.求：(1) 平板外两侧任一点 Pl和P2处的电场强度大小；(2) 平板内任一点 P处的电场强度；(3) 场强为零的点在何处？解：(1)由对称分析知，平板外两侧场强大小处处相等、方向垂直于平面且背离平面.设 场强大小为E.作一柱形高斯面垂直于平面.其底面大小为按高斯定理:SE1 b2SESd

4、 x00得到 E = kb2 / (4dSq/0，即kSbkSb2xd x002 oo)(板外两侧)(2)过P点垂直平板作一柱形高斯面，底面为S.设该处场强为 E，如图所示按高斯定理有kS xxdx0kSb2得到Ek2xbl(0w x< b)2 02E=0,必须是x2b20 ,可得 x b r . 224在靠近地面处有相当强的电场，电场强度E垂直于地面向下，大小约为100 N/C ;在离地面1.5 km高的地方，E也是垂直于地面向下的， 大小约为25 N/C .（2）假设地表面内电场强度为零, 的电荷产生，求地面上的电荷面密度.（1）假设地面上各处 E都是垂直于地面向下，试计算从地面到此

5、 高度大气中电荷的平均体密度；且地球表面处的电场强度完全是由均匀分布在地表面（已知：真空介电常量 0 = 8.85 X 10-12 C2 N-1 m-2）(1) I解：（1）设电荷的平均体密度为，取圆柱形高斯面如图底面，底面 S平行地面）上下底面处的场强分别为E1和E2，则通过高斯面的电场强度通量为：E dS = E2 S E1 S= （E2-E1） S高斯面S包围的电荷刀qi = h S由咼斯定理（E2 E1） S= h S / 010 E2E1 = 4.43X 10 13 C/m3（2）设地面面电荷密度为 于地面，取高斯面如图（2）由于电荷只分布在地表面，所以电力线终止h解：在 处取电荷元

6、，其电荷为dq = dl = oRsin d它在0点产生的场强为d Edqo sin d40R2在x、y轴上的二个分量dEx= dEcos ,dEy= dEsin对各分量分别求和ExoR0sincosEyoR2 sin 08 oRExiEyj8 oR j6. 一半径为R的带电球体，其电荷体密度分布为-qr4 (rw R)(q为一正的常量)nR4=0(r>R)试求：(1)带电球体的总电荷；(2)球内、外各点的电场强度；(3)球内、外各点的电势.解：(1)在球内取半径为r、厚为dr的薄球壳，该壳内所包含的电荷为 dq = dV = qr 4 r2dr/( R4) = 4qr3dr/R4r则球

7、体所带的总电荷为Q dV 4q/R4 r3dr qV0(2)在球内作一半径为:Ar1的高斯球面，按高斯定理有2d rqr4肩E1在球体外作半径为4 oR4r2的高斯球面,(r1W R), E1方向沿半径向外.按高斯定理有E?q202(r2 >R), E2方向沿半径向外.(3)球内电势U1Rr E11 1drrEq3 oR球外电势312 oR4q12U2E2 drr2r? 4q2orr2R q dr hr3JLR3r1宀drR4 or2oRr1Rq402r2R7. 一"无限大”平面，中部有一半径为R的圆孔，设平面上均匀带电，电荷面密度为.如图所示，试求通过小孔中心0并与平面垂直的

8、直线上各点的场强和电势（选0点的电势为零）.解：将题中的电荷分布看作为面密度为的大平面和面密度为一的圆盘叠加的x处产生的场强为结果.选x轴垂直于平面，坐标原点O在圆盘中心，大平面在圆盘在该处的场强为e2CT X1一rLx2E Ei E2该点电势为xd xx 2 0 - R2 x22；R r2 x2& 一真空二极管，其主要构件是一个半径 Ri= 5X 10-4 m的 圆柱形阴极A和一个套在阴极外的半径R2= 4.5X 10 3 m的同轴圆筒形阳极B,如图所示.陽極電勢比陰極高 300 V , 忽略边缘效应.求电子刚从阴极射出时所受的电场力.（基本电荷 e= 1.6X 10-19 C）R解

9、：与阴极同轴作半径为.按高斯定理有2得到 方向沿半径指向轴线.两极之间电势差r （R1 v r v R2 ）的单位长度的圆柱形高斯面，设阴极上电荷线密度为rE = / 0E= / （2or)(R1 v rv R2)得到BUa Ub AE drUb Ua20 ln R2 / R1在阴极表面处电子受电场力的大小为R2 d rR r所以-lnR20 R1Ub U aIn R2 / R1e"F eE R1c R2 / R1R-i=4.37 X 10-14 N方向沿半径指向阳极.四研讨题1. 真空中点电荷q的静电场场强大小为式中r为场点离点电荷的距离.当 何解释？rt 0时，Etr，这一推论显

10、然是没有物理意义的，应如参考解答：点电荷的场强公式仅适用于点电荷，当rt0时，任何带电体都不能视为点电荷，所以点电荷场强公式已不适用.若仍用此式求场强 E,其结论必然是错误的当 rt0时，需要具体考虑带电体的大小和电 荷分布，这样求得的 E就有确定值.2. 用静电场的环路定理证明电场线如图分布的电场不可能是静电场.参考解答：证：在电场中作如图所示的扇形环路abcda.在ab和cd段场强方向与路径方向垂直.在 bc和da段场强大小不相等（电力线疏密程度不 同）而路径相等因而ac-E dl dE dl bE dl 0按静电场环路定理应有E dl 0 ,此场不满足静电场环路定理，所以不可能是静电场.

11、3. 如果只知道电场中某点的场强，能否求出该点的电势？如果只知道电场中某点的电势, 能否求出该点的场强？为什么？参考解答： 零势点由电势的定义：U 一 E dl场点式中E为所选场点到零势点的积分路径上各点的场强，所以，如果只知道电场中某点的场 强，而不知道路径上各点的场强表达式，不能求出该点的电势。由场强与电势的关系：E gradU场中某点的电场强度是该点电势梯度的负值。如果只知道电场中某点的电势值，而不知道其表达式，就无法求出电势的空间变化率，也就不能求出该点的场强。4. 从工厂的烟囱中冒出的滚滚浓烟中含有大量颗粒状粉尘，它们严重污染了环境，影响到 作物的生长和人类的健康。静电除尘是被人们公

12、认的高效可靠 的除尘技术。先在实验室内模拟一下管式静电除尘器除尘的全 过程，在模拟烟囱内，可以看到，有烟尘从“烟囱”上飘出。 加上电源，烟囱上面的烟尘不见了。如果撤去电源，烟尘又出 现在我们眼前。请考虑如何计算出实验室管式静电除尘器的工 作电压，即当工作电压达到什么数量级时，可以实现良好的静 电除尘效果。参考解答:先来看看静电除尘装置的结构：在烟囱的轴线上，悬置了一根导线，称之谓电晕线；在烟囱的四周设置了一个金属线圈，我们称它为集电极。 直流高压电源的正极接在线圈上，负极接在电晕线上，如右上图所示。可以看出，接通电源以后，集电极与电晕线之间就建立了一个非均匀电场，电晕线周围电场最大。改变直流高

13、压电源的电压值，就可以改变电晕线周围的电场强度。当实际电场强度与空 气的击穿电场3 103Vmm 1相近时空气发生电离，形成大量的正 离子和自由电子。自由电子随电场向正极飘移，在飘移的过程中和尘埃中的中性分子或颗粒发生碰撞，这些粉尘颗粒吸附电子以 后就成了荷电粒子，这样就使原来中性的尘埃带上了负电。在电场的作用下，这些带负电的尘埃颗粒继续向正极运动，并最后附 着在集电极上。(集电极可以是金属线圈，也可以是金属圆桶壁)当尘埃积聚到一定程度时，通过振动装置，尘埃颗粒就落入灰斗 中。这种结构也称管式静电除尘器。如右中图所示。对管式静电除尘器中的电压设置，我们可以等价于同轴电缆 来计算。如右下图所示，

14、a与rb分别表示电晕极与集电极的半径， L及D分别表示圆筒高度及直径。 一般L为3-5m，D为200-300mm， 故L>>D,此时电晕线外的电场可以认为是无限长带电圆柱面的电场。设单位长度的圆柱面带电荷为。用静电场高斯定理求出距轴线任意距离r处点P的内外两极间电压rbU E dlra积分后得：(1) 式中?为沿径矢的单位矢量。U与电场强度E之关系为(2)，将式代入式，2oU由于电晕线附近的电场强度最大，使它达到空气电离的最大电 场强度Em时，就可获得高压电源必须具备的电压场强为:U Em Pal Hra代入空气的击穿电场，并取一组实测参数如下：5.1 104V .6 1 2Em

15、3 10 V m ,r ra 0.5 10 m, rb 0.15m,计算结果 U若施加电压 U低于临界值，则没有击穿电流，实现不了除尘的目的。也就是说，在这 样尺寸的除尘器中，通常当电压达到105V的数量级时，就可以实现良好的静电除尘效果。静电除尘器除了上述的管式结构外还有其它的结构形式，如板式结构等。可以参阅有关资料, 仿上计算，也可以自行独立设计一种新型结构的静电除尘器。第13章静电场中的导体和电解质、选择题1(D)，2(A)，3(C)，4(C)，5(C)，6(B)，7(C)，8(B)，9(C)，10(B)、填空题(1).(9).4.55X 105 C ；(x, y, z)/ 0,与导体表

16、面垂直朝外1,0 r )；P , - P , 0 ； 452;(> 0)或与导体表面垂直朝里(4).1/ r , 1/ r(6).(8)(1- r) / r ；(10). r ,r< 0).R/e ,显然有0,二、计算题1. 如图所示，一内半径为a、外半径为b的金属球壳，带有电荷 Q，在球壳空腔内距离球心r处有一点电荷q 设无限远处为电势零点，试求：(1) 球壳内外表面上的电荷.(2) 球心O点处，由球壳内表面上电荷产生的电势.(3) 球心O点处的总电势.解： 由静电感应，金属球壳的内表面上有感生电荷-q，外表面上带电荷 q+Q.(2)不论球壳内表面上的感生电荷是如何分布的，因为任

17、一电荷元离O点的距离都是a,所以由这些电荷在 O点产生的电势为dq4 °a(3)球心O点处的总电势为分布在球壳内外表面上的电荷和点电荷q在O点产生的电势的代数和Uo Uq U q UQ qq q Q q40r 40a 40bq (1 1 1)Q40 r a b 40b2. 一圆柱形电容器，外柱的直径为4 cm，内柱的直径可以适当选择，若其间充满各向同性的均匀电介质，该介质的击穿电场强度的大小为E0= 200 KV/cm .试求该电容器可能承受的最高电压.(自然对数的底e = 2.7183)解：设圆柱形电容器单位长度上带有电荷为，则电容器两极板之间的场强分布为E /(2 r)设电容器内

18、外两极板半径分别为r0, R,则极板间电压为RRRr°E0时电容器击穿，这时应有U E d rd rIn rr 2 r2电介质中场强最大处在内柱面上，当这里场强达到R2r°E°, Ur°E°Inr°适当选择r0的值，可使U有极大值,dr。即令 dU/dr0 E0ln(R/r0) E00，得 r0故当 r° R/e 时电容器可承受最高的电压UmaxREo /e = 147 kV.第14页3. 如图所示，一圆柱形电容器，内筒半径为R1,外筒半径为R2 (R2V 2 R1),其间充有相对介电常量分别为 r1和r2= r1 / 2的

19、两层各向同性均匀电介质， 其界面半径为 R.若两种介 质的击穿电场强度相同，问：(1) 当电压升高时，哪层介质先击穿?(2) 该电容器能承受多高的电压？解：(1)设内、外筒单位长度带电何为+和一.两筒间电位移的大小为D =/ (2 r)在两层介质中的场强大小分别为Ei =/ (2 o rir),E2 =/ (2 o r2r)在两层介质中的场强最大处是各层介质的内表面处，即E1M = / (2 0 r1 Rl) ,E2M = / (2 0 r2R)可得E1M / E2M = r2R / ( r1R1) = R / (2R1)已知R1V 2 R1,可见E1mv E2m，因此外层介质先击穿.(2)当

20、内筒上电量达到 M,使E2M= Em时，即被击穿，M = 20 r2REM1r2ln此时两筒间电压(即最高电压)为：R MR2M1 RU12d rdrREmIn -R1 2 0 r1rR 20 r2rr1R1S4. 一空气平行板电容器， 两极板面积均为 S,板间距离为d (d远小于极 板线度),在两极板间平行地插入一面积也是 S、厚度为t (<d)的金属片， 如图所示试求：(1) 电容C于多少？L(2) 金属片放在两极板间的位置对电容值有无影响？板间场强为e1q/( 0S)金属板与B板间场强为E2q/( 0S)金属片内部场强为e0则两极板间的电势差为U A U B EM 1E2d 2q

21、(d1d2) q (d t)0S0S由此得Cq/(U aUb)0S/(d t)解：设极板上分别带电何 +q和-q ;金属片与A板距离为d1,与B板距离为d2 ;金属片与A因C值仅与d、t有关，与+q -qd1、d2无关，故金属片的安放位置对电容值无影响.5. 如图所示，一电容器由两个同轴圆筒组成，内筒半径为a,外筒半径为b，筒长都是L,中间充满相对介电常量为 r 的各向同性均匀电介质. 内、外筒分别带有等量异号电荷 +Q 和-Q.设(b- a) << a, L >> b,可以忽略边缘效应，求：(1)圆柱形电容器的电容；(2)电容器贮存的能量.解：由题给条件(ba)a和L

22、b，忽略边缘效应，应用高斯定理可求出两筒之间的场强为：EQ/(20 rLr)两筒间的电势差UbQdr Q|nba 20rL r2 o rLa电容器的电容CQ/U(2 o r L) /ln(b/a)电容器贮存的能量W6u 22Q2/(4 o 丄)ln(b/a)d6.如图所示，一平板电容器，极板面积为S,两极板之间距离为其间填有两层厚度相同的各向同性均匀电介质，其介电常量分别为1和2.当电容器带电荷土 Q时，在维持电荷不变下，将其中介电 常量为1的介质板抽出，试求外力所作的功.+Q1第16页解：可将上下两部分看作两个单独的电容器串联，两电容分别为Ci2 2Sd串联后的等效电容为2 1 2Sd 12

23、带电荷土 Q时，电容器的电场能量为将1的介质板抽去后，电容器的能量为WQ2Q2d 122C4 1 2SWQ2d 024 0 2 S外力作功等于电势能增加，即Q2d 14ShL7.如图所示，将两极板间距离为d的平行板电容器垂直地插入到密度为相对介电常量为r的液体电介质中.如维持两极板之间的电势差U不变,试求液体上升的高度 h.解：设极板宽度为 L,液体未上升时的电容为Co = oHL / d液体上升到h高度时的电容为Co在U不变下，液体上升后极板上增加的电荷为Q CU CoUo r 1 hLU /d电源作功A QU 0 r 1 hLU 2 /d液体上升后增加的电能1W1-CU2液体上升后增加的重

24、力势能1 2 -CoU21W2- L21 0 r 1 hLU 2/d2gdh2因 A = Wi+ W2,可解出0 rgd21U2第21页（面电荷密度为思考题1.无限大均匀带电平面衡状态下，导体表面（该处表面面电荷密度为 者小一半？b）两侧场强为 E /（2 0），而在静电平 b）附近场强为E / 0，为什么前者比后参考解答：关键是题目中两个式中的b不是一回事。荷密度改为b，其附近的场强则写为 E对于无限大均匀带电平面（面电荷密度为带电平面单位面积上所带的电荷。下面为了讨论方便，我们把导体表面的面电/ 0 -C,两侧场强为E /（2 0）.这里的 b是指a ,宽为b）,其电对于静电平衡状态下的导

25、体，其表面附近的场强为E / 0.这里的 b是指带电导体表面某处单位面积上所带的电荷。如果无限大均匀带电平面是一个静电平衡状态下的无限大均匀带电导体板，则b是此导体板的单位面积上（包括导体板的两个表面）所带的电荷，而b仅是导体板的一个表面单位 面积上所带的电荷。在空间仅有此导体板 （即导体板旁没有其他电荷和其他电场）的情形下，导体板的表面上电荷分布均匀，且有两表面上的面电荷密度相等。在此情况下两个面电荷密度间的关系为b =2 b'。这样，题目中两个 E式就统一了。思考题2 :由极性分子组成的液态电介质，其相对介电常量在温度升高时是增大还是减小?参考解答：由极性分子组成的电介质 （极性电

26、介质）放在外电场中时，极性分子的固有电矩将沿外 电场的方向取向而使电介质极化。 由于极性分子还有无规则热运动存在， 这种取向不可能完 全整齐。当电介质的温度升高时，极性分子的无规则热运动更加剧烈，取向更加不整齐，极化的效果更差。此情形下，电极化强度P巴将会比温度升高前减小。V在电介质中的电场 E不太强时，各向同性电介质的 P和E间的关系为P 0（ r 1）E.很明显，在同样的电场下，当温度升高后，相对介电常量£r要减小。参考解答：设一平行板电容器是由长为a ,宽为b的两导体板构成b思考题3 :有一上下极板成 B角的非平行板电容器（长为 容如何计算？ah间距为d ,则电容为C0 -若该

27、电容器沿两极板的长度同一方向有d x的长度增量,则电容d为CdX)Co 皂彳，在此基础上推广到如图所示的电容器，可以认为是在Codd的基础上,上极板沿与长度方向成6角度连续增加到h,下极板沿长度方向连续增加到bcosB构成，把该电容器看成是由两个电容器并联时，该电容器的电容为bcos0adld l tanCo旦 l “J bsin tand即非平行板电容器的电容，C旦 l nd bsintand思考题4:为了实时检测纺织品、纸张等材料的厚度(待 测材料可视作相对电容率为r的电介质)，通常在生产流水线上设置如图所示的传感装置，其中A、B为平板电容器的导体极板，S为极板面积，do为两极板间的距离。

28、试 说明检测原理，并推出直接测量电容C与间接测量厚度之间的函数关系。如果要检测钢板等金属材料的厚度，结果又将如何?参考解答:两板电势差：UE无电介质(dod)E有电介U (dod)0d00 r则C q0rs设极板带电q 0S ,U d r(do d)介质的厚度为：drdoC0 rS(r 1)Cpdor0 rS(r 1)C实时地测量A、B间的电容量C,根据上述关系式就可以间接地测出材料的厚度、通常智能化的仪表可以实时地显示出待测材料的厚度。 如果待测材料是金属导体，其Cdo d第14章稳恒电流的磁场一、选择题A、doB间等效电容与导体材料的厚度分别为: oSC .7(B) , 8(C) , 9(

29、D) , 10(A)1(B) , 2(D) , 3(D), 4(B) , 5(B) , 6(D),二、填空题(1) .最大磁力矩，磁矩 ；(2).R2c ;o I. ol/(4a) ;(4).；4 R(5).0i，沿轴线方向朝右.；(6).2orl /(2 R1 ) ,0.4 ;(8).mg/(lB)；(9).aIB ;(10).正，负.三计算题木1 .1 m2R1 一无限长圆柱形铜导体（磁导率0）,半径为R,通有均匀分布的电流I 今 取一矩形平面S （长为1 m，宽为2 R），位置如右图中画斜线部分所示，求 通过该矩形平面的磁通量.解：在圆柱体内部与导体中心轴线相距为 环路定r处的磁感强度的

30、大小，由安培律可得:B因而，穿过导体内画斜线部分平面的磁通(rR)1 B dS BdS在圆形导体外，与导体中心轴线相距B2 r因而，穿过导体外画斜线部分平面的磁通o1012rdro2 R24r处的磁感强度大小为(r R)dS2为2R |drr2 rln22卫ln22穿过整个矩形平面的磁通量2.横截面为矩形的环形螺线管，圆环内外半径分别为R1和R2,芯子材料的磁导率为，导线总匝数为 N，绕得很密，若线圈通电流 I，求.（1）芯子中的B值和芯子截面的磁通量.在r < R1和r > R2处的B值.解：（1）在环内作半径为r的圆形回路，由安培环路定理得B 2 r NI , B NI /（2

31、 r）在r处取微小截面dS = bdr,通过此小截面的磁通量d BdS-Nbdr2 r穿过截面的磁通量cNINIbr2BdS -bd rln -S2 r2R1同样在环外（r < R1和r > R2 ）作圆形回路，由于Ii 03. 一根很长的圆柱形铜导线均匀载有 10 A电流，在导线内部作一平面 线的中心轴线，另一边是 S平面与导线表面的交线，如图所示试计算通 过沿导线长度方向长为 1m的一段S平面的磁通量.（真空的磁导率 o =4 X 10-7 T m/A，铜的相对磁导率1）解：在距离导线中心轴线为 x与x dx处，作一个单位长窄条, 其面积为 dS 1 dx .窄条处的磁感强度r

32、 0 IX2 R2所以通过dS的磁通量为dBdSixR2通过1 m长的一段S平面的磁通量为卑dxR2r 0610 Wb44计算如图所示的平面载流线圈在P点产生的磁感强度，设线圈中的电流强度为I 解：如图，CD、AF在P点产生的 B = 0B BAB BBCBDEBEFBab必(sin 2 sin 1),方向4 a其中sin 2a/( . 2a)1/ . 2 , sin 10BAB0 14、2 a,同理，Bbc，方向4/2 a同样BDEBef0I /(& 2a），方向O.2。1。12 0IB4、2 a4 “2 a8 a方向5.如图所示线框，铜线横截面积S = 2.0 mm2,其中OA和D

33、O,两段保持水平不动，ABCD段是边长为a的正方形的三边，它可绕OO/轴无摩擦转动.整个 导线放在匀强磁场 B中，B的方向竖直向上.已知铜的密度 =8.9 X 103 kg/m3,当铜线中的电流I =10 A时，导线处于平衡状态，AB 段和CD段与竖直方向的夹角 =15°.求磁感强度 B的大小.解：在平衡的情况下，必须满足线框的重力矩与线框所受的磁力矩平衡（对00/轴而言）.第14页重力矩 Mj 2a gS a sin a gSasin 222Sa g sin212磁力矩 M2 Bia sin() la B cos2平衡时M j M2所以2Sa2 g sin la2 B cos3B

34、2S gtg /19.35 10 T6.如图两共轴线圈，半径分别为 的方向相反，求轴线上相距中点R1、R2,电流为丨1、12.电流O为x处的P点的磁感强度.解：取x轴向右，那么有B10.R1I1、2 3/2 沿x轴正方向1 op/ V八1一 2b 旷I2B2BB12R12(b x)22足丨2 2 3/2 沿x轴负方向2R；(b x)23/2。頭12卞3/2(b x)0R2 I 222卞3/2 R2 (b x)B方向为沿x轴正方向.若B < 0,则B的方向为沿x轴负方向.第28页7.如图所示一块半导体样品的体积为ax bx c.沿c方向有电流I，沿厚度a边方向加有B/v /7_上监电位差均

35、匀外磁场B （B的方向和样品中电流密度方向垂直）.实验得出的数据为 a= 0.10 cm、b= 0.35 cm、c= 1.0 cm、I = 1.0 mA、B = 3.0 x 10-1 T,沿 b 边两侧的电势 差U = 6.65 mV，上表面电势高.（1）问这半导体是 p型（正电荷导电）还是n型（负电 荷导电）?（2）求载流子浓度n0 （即单位体积内参加导电的带电粒子数）.解：（1）根据洛伦兹力公式：若为正电荷导电，则正电荷堆积在上表面，霍耳电场的方向由上指向下，故上表面电势咼，可知是p型半导体。（2）由霍耳效应知，在磁场不太强时，霍耳电势差U与电流强度1，磁感强度B成正比,IB而与样品厚度a

36、成反比，即：UK而 K1an°q根据题给条件，载流子浓度为：n02.82 1020 m-3aqU四研讨题1. 将磁场的高斯定理与电场的高斯定理相比，两者有着本质上的区别。从类比的角度可作 何联想？ 参考解答：磁场的高斯定理与电场的高斯定理：迅 B d S 0,osD d S q作为类比，反映自然界中没有与电荷相对应“磁荷”（或叫单独的磁极）的存在。但是狄拉克1931年在理论上指出，允许有磁单极子的存在，提出：nq qm 二2式中q是电荷、qm是磁荷。电荷量子化已被实验证明了。然而迄今为止，人们还没有发现 可以确定磁单极子存在可重复的直接实验证据。如果实验上找到了磁单极子，那么磁场的高

37、斯定理以至整个电磁理论都将作重大修改。1982年，美国斯坦福大学曾报告，用直径为5cm的超导线圈放入直径 20cm的超导铅筒， 由于迈斯纳效应屏蔽外磁场干扰，只有磁单极子进入才会引起磁通变化。运行151天，记录到一次磁通变化，但此结果未能重复。据查阅科学出版社1994年出版的，由美国引力、宇宙学和宇宙线物理专门小组撰写的90年代物理学有关分册，目前已经用超导线圈，游离探测器和闪烁探测器来寻找磁单极子。在前一种情况，一个磁单极子通过线圈会感应出一个阶跃电流，它能被一个复杂装置探测出来，但这种方法的探测面积受到线圈大小的限制。游离探测器和闪烁探测器能做成大面积的，但对磁单极子不敏感。现在物理学家们

38、仍坚持扩大对磁单极子的研究，建造闪烁体或正比计数器探测器，相应面积至少为1000m2。并建造较大的，面积为 100m2量级的环状流强探测器，同时加强寻找陷落在陨石或磁铁矿中的磁单极子的工作。2. 当带电粒子由弱磁场区向强磁场区做螺旋运动时，平行于磁场方向的速度分量如何变 化？动能如何变化？垂直于磁场方向的速度分量如何变化？参考解答：当带电粒子由弱磁场区向强磁场区做螺旋运动时，它所受到的磁场力有一个和前进方向相反的分量，这个分量将使平行于磁场方向的速度分量减小， 甚至可使此速度分量减小到零， 然后使粒子向相反方向运动（这就是磁镜的原理）。当带电粒子由弱磁场区向强磁场区做螺旋运动时，由于平行于磁场

39、方向的速度分量减小，因而与这个速度分量相关的动能也减小。然而磁力对带电粒子是不做功的，粒子的总动能不会改变，因此，与垂直于磁场方向的速度分量相关的动能在此运动过程中将会增大，垂直于磁场方向的速度分量也相应地增大。3电磁流量计是一种场效应型传感器 ，如图所示：截面矩形的非磁性管，其宽度为d、高度为Bh,管内有导电液体自左向右流动 ，在垂直液面流动的方向 加一指向纸面内的匀强磁场 ，当磁感应强度为 B时,测得液 体上表面的a与下表面的b两点间的电势差为 U,求管内导 电液体的流量。参考解答：导电液体自左向右在非磁性管道内流动时，在洛仑兹力作用下，其中的正离子积累于上表面，负离子积累于下表面，于是在

40、管道中又形成了从上到下方向的匀强霍尔电场 E,它同匀强磁场B一起构成了速 度选择器。因此在稳定平衡的条件下，对于以速度v匀速流动的导电液体，无论是对其中的正 离子还是负离子，都有qE qU qvB d流速v U ,液体流量Q vhd Uh.BdB如果截面园形的非磁性管，B 磁感应强度；D 测量管内径；U 流量信号(电动势)； v-液体平均轴向流速，L测量电极之间距离。霍尔电势UeUekBLv (1) k (无量纲)的常数, 体积流量是：D2v4把方程(1)、(2)合并得：液体流量Q竺U4kL B在圆形管道中，或者Q K U，K校准系数，通常是靠湿式校准来得到。B第15章磁介质的磁化 一、选择题

41、1(C), 2(B) , 3(B) , 4(C), 5(D)二、填空题(1) . 8.88X 10-6，抗.(2) .铁磁质，顺磁质，抗磁质.(3) .7.96X 105 A/m ,2.42 X 102 A/m.(4) .各磁畴的磁化方向的指向各不相同，杂乱无章全部磁畴的磁化方向的指向都转向外磁场方向(5) .矫顽力大，剩磁也大；例如永久磁铁.(6) .磁导率大，矫顽力小，磁滞损耗低.变压器，交流电机的铁芯等.三计算题1. 一根同轴线由半径为 R1的长导线和套在它外面的内半径为R2、外半径为R3的同轴导体圆筒组成. 中间充满磁导率为的各向同性均匀非铁磁绝缘材料，如图传导电流 I沿导线向上流去，

42、由圆筒向下流回，在它们的 截面上电流都是均匀分布的求同轴线内外的磁感强度大小B的分布.-H dlIi2 rHIr2 / R2lrnolr2 ，2 R12B2R22 rHI解：由安培环路定理：0< r <R1 区域：HR1< r <R2 区域：R2< r <R3 区域:r >R3区域:H = 0,rHoH(12 rI(r2 R；) (R R；)r2 R；2R3R32I)2. 一根很长的同轴电缆，由一导体圆柱(半径为a)和同轴的导体圆管(内、外半径分别为 b,c)构成，使用时，电流I从一导体流出，从另一导体流回设电流都是均匀地分布在导体的 横截面上，求：导

43、体圆柱内(r<a)和两导体之间(a<r<b)的磁场强度H的大小.解：由电流分布的轴对称性可知，在同一横截面上绕轴半径为 其方向是沿圆周的切线方向用H的环路定律可求出.r的圆周上各点的 B值相等,1 r2HIr222aaI ,HI2r(1) r<aH 2 r(2) a<r<bH 2 r3.螺绕环中心周长1 = 10 cm，环上均匀密绕线圈 N = 200匝，线圈中通有电流I = 0.1 A .管 内充满相对磁导率r = 4200的磁介质.求管内磁场强度和磁感强度的大小.解:H nl NI /l 200 A/mB H 0 rH 1.06 T4. 一铁环的中心线周

44、长为0.3 m,横截面积为1.0 x 10-4 m2，在环上密绕300匝表面绝缘的导线，当导线通有电流3.2 x 10-2 A时，通过环的横截面的磁通量为2.0X 10-6 Wb .求：(1) 铁环内部的磁感强度；(2) 铁环内部的磁场强度；(3) 铁的磁化率；(4) 铁环的磁化强度.解：(1)B(2) n = 1000 m-1,(3) 相对磁导率22 10 TSH = n 10 = 32 A/mr 4970H磁化率(4)磁化强度m = r- 1 = 4964M = mH = 1.59X 104 A/m四研讨题1顺磁质和铁磁质的磁导率明显地依赖于温度，而抗磁质的磁导率则几乎与温度无关，为 什么

45、？ 参考解答：顺磁质的磁性主要来源于分子的固有磁矩沿外磁场方向的取向排列。当温度升高时，由于热运动的缘故，这些固有磁矩更易趋向混乱，而不易沿外磁场方向排列，使得顺磁质的磁性因磁导率明显地依赖于温度。铁磁质的磁性主要来源于磁畴的磁矩方向沿外磁场方向的取向排列。当温度升高时，各磁畴的磁矩方向易趋向混乱而使铁磁质的磁性减小，因而铁磁质的磁导率会明显地依赖于温度。当铁磁质的温度超过居里点时，其磁性还会完全消失。至于抗磁质，它的磁性来源于抗磁质分子在外磁场中所产生的与外磁场方向相反的感生磁 矩，不存在磁矩的方向排列问题，因而抗磁质的磁性和分子的热运动情况无关，这就是抗磁质的磁导率几乎与温度无关的原因。2

46、. 在实际问题中用安培环路定理lH dlIo计算由铁磁质组成的闭合环路，在得出 H后，如何进一步求出对应的 B值呢？参考解答：由于铁磁质的 r不是一个常数，因此不能用 B = r 0H来进行计算，而是应当查阅手册 中该铁磁材料的 BH曲线图，找出对应于计算值H的磁感强度B值.3. 磁冷却。将顺磁样品(如硝酸镁)在低温下磁化，其固有磁矩沿磁场排列时要放出能量 以热量的形式向周围环境排出。然后在绝热的情况下撤去外磁场，这样样品温度就要降低， 实验中可降低到10-6k。试解释为什么样品绝热退磁时会降温。参考解答：磁冷却的原理和过程可以分几步说明如下：(1) 把顺磁样品放入低温环境中(如温度1K的He

47、气，He气又和周围的液 He维持1K下的热平衡)。(2) 加外磁场(磁感强度约 1T),使顺磁样品等温磁化，顺磁质的固有磁矩在外磁场的作用下会排列起来。在此过程中，外界对磁场做功，顺磁质的内能增加；同时样品放出热量，被 周围的He气吸收，整个系统仍维持1K的温度不变。(3) 迅速抽出样品周围的 He气，使样品处于绝热隔离状态。去掉外磁场，顺磁质的磁场又趋于混乱。此过程中，样品对外做功，内能减少，样品温 度下降。一般情况下，样品的温度可以将到10-6K。4. 高压容器在工业和民用领域都有着非常广泛的应用，如锅炉、储气罐、家用煤气坛等。由于高压容器长期的使用、 运行,局部区域受到腐蚀、 磨损或机械

48、损害，从而会形成潜在的威 胁.因此世界各国对于高压容器的运行都制定了严格的在役无损检测标准，以确保高压容器的安全运行。请根据所学的知识，探索一种利用铁磁材料实现无损探伤的方法。参考解答：目前无损检测一般采用的方法有磁粉探伤、超声波探伤和 X射线探伤等方法。磁粉探 伤依据的是介质表面磁场分布的不连续性 ，可采用磁粉显示；超声波和X射线探伤利用了波 动在介质分界面反射的现象这些方法有的仪器结构复杂、操作繁琐 ，有的数据处理麻烦、价格较高，对于家用容器的检测就更为不方便根据LC振荡电路的磁回路特性 ，一旦介质内部出现裂纹，将会引起磁导率的突变，从而 使回路的电磁参数发生变化将这一结果用于铁磁材料表面

49、和内部伤痕、 裂纹的检测中，其检 测方法原理简单，操作方便，检测灵敏度高。LC磁回路测量原理：磁回路的基本模型如图所示。A是带线圈的磁芯，M是待检测的材料，如容器壁。磁回路最基本的规律是安培环路定理：J dl Ii .假定整个回路采用高导磁率材料组成，而且回路中绕有一种材料中的磁场强度相同，则环路定理就可以写成： BiliN匝线圈，线圈中电流为I,若同NIHili式中Hi总是沿I i方向。当回路中第 都相同，i段的截面积为0 iSi时,BiS i=i ,由于环路内各处截面的磁通上式中令:.于是有:NIHiliBiliih0 i Sili0 i SiNI mli0 i SiRm分别为磁回路的磁动势和磁阻,第41页m另一方面，根据磁回路中的自感电动势定义：d Id NdL，由式得到：L N dt dtdI假定由该回路与电容 C组成LC振荡电路，电路的振荡频率f 1Rm2 d I N2N2 -Rm dlRmf为：(2)1_Rm2 LC 2 ,CN由式(2)可见，在回路几何参数一定的情况下，振荡频率由回路中的磁导率决定在磁回路图中，假定由容器壁M与带线圈